石墨烯:透明胶带成就的诺贝尔奖:石墨烯诺贝尔奖

　　尽管IT产品千变万化,但万变不离其宗――都是建立在基于半导体硅的计算基础上。但摩尔定律终有极限。于是,非硅计算便成为研究的热点。 　　今年10月,英国曼彻斯特大学安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在石墨烯方面卓越研究而分享了诺贝尔物理学奖,从而使石墨烯在量子计算、生物计算、光计算、碳纳米管等硅计算替代者中,脱颖而出。
　　
　　摩尔定律终有尽头
　　
　　1958年,德仪公司的基尔比和仙童半导体公司的诺伊斯分别独立地发明了集成电路,从而使得电子技术从电子管、晶体管转向集成电路时代。基尔比因为集成电路的发明而获得了2000年诺贝尔物理学奖,遗憾的是创办了仙童和英特尔两家半导体工业历史上最著名的公司的诺伊斯却因突发心脏病于10年前辞世,无法获得诺贝尔奖。事实上,如今半导体工业采用的都是诺伊斯发明的平面工艺,与基尔比的工艺其实没有关系。
　　平面工艺就是利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等半导体加工工艺技术,在二维平面上制造晶体管、电阻、电容和引线。因此,要在单位面积的硅片上制造越来越多的晶体管等元器件,只有不断提高工艺水平。
　　1965年,还在仙童半导体公司工作的高登•摩尔为《电子学》杂志写了一篇文章预测说,未来集成电路中晶体管的集成度将会每18~24个月翻一番,这就是著名的摩尔定律。
　　当人们享受着CPU的制造工艺从65nm、45nm提高到目前的32nm所带来的性能提高和功耗下降等好处时,殊不知,加工工艺的提升是有物理极限的。有资料显示,当晶体管栅极长度小于5nm时,晶体管会因隧道效应而失效。
　　因此,寻找替代硅工艺的材料,便成为一个很现实的问题。尽管量子计算、生物计算性能强劲,但毕竟那还是遥不可及的美好远景。碳纳米管虽然表现突出,但未来在工艺实现上,要“安顿”好那么多小管子可不是件容易的事。
　　直到2004年,英国曼切斯特大学的研究人员安德烈•盖姆和科斯提亚•诺沃谢夫在石墨烯方面的研究,让人们看到了新的希望。
　　
　　他最后用了“土”办法
　　
　　坚硬无比的金刚石与柔软的石墨的成分都是碳,只不过其中碳原子的晶体结构排列有所不同。在足够高的温度和压力下,通常都是采用爆炸法,可以利用石墨生成微小的金刚石颗粒。而盖姆和诺沃谢夫发现,当石墨层薄到只有1个碳原子厚度时,不仅坚韧无比,而且还有突出的电特性。这种具有神奇性能的石墨层被称之为石墨烯。而制造石墨烯的方式并非人工制造金刚石那样暴力,相反却是十分温柔的。
　　2008年8月,盖姆在接受科学观察网站(www.省略)专访时,讲述了他们当初如何制造石墨烯的故事。
　　当时,盖姆买了一大块高定向热解石墨,这是一种纯度非常高、通常用于分析的石墨材料。盖姆把它交给了他新来的一位中国博士生,并给了他一台非常高级的抛光机,希望他能制作出尽可能薄的薄膜。三个星期过后,这位博士生拿着一个培养皿告诉盖姆说做好了。盖姆用显微镜观察培养皿底部的石墨斑,发现那足有10微米厚,相当于1000层石墨烯的厚度。盖姆于是问他,能不能磨得再薄一些?他告诉盖姆,那还再需要一块石墨。要知道这种石墨每块大约要花300美元。盖姆承认自己当时的态度可能不太好,于是,那位中国博士生对盖姆说:”既然你这么聪明,那你就自己试试吧。”
　　盖姆只得自己做了,不过他采用了一种非常“土”的方法。因为石墨具有完整的层状解理特性,可以按层剥离。于是,盖姆用透明胶带在石墨上粘一下,这样就会有石墨层被粘在胶带上。盖姆把胶带对折后,粘一下再拉开,这样,胶带两端都沾有石墨层,石墨层又变薄了。如此反复多次,胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度时,石墨层也就变成了石墨烯。
　　
　　神奇的石墨烯
　　
　　很难想象,当把矿物质中几乎最软的石墨(莫氏硬度只有1~2级),“切”成一个碳原子厚度的薄片时,“性格”会发生如此之大的变化。硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高,但却又有很好的韧性,可以弯曲。
　　石墨烯不仅是已知的最薄也是导热性能最好的材料,而且电特性更为出众,它的电阻率约为10-6 Ω•cm,是目前已知导电性能最好的材料,而常温下高达15000 cm2/V•s的电子迁移率,使得石墨烯成为制造高速晶体管的希望所在。
　　今年1月22日,美国宾西法尼亚州立大学电子光学中心宣布,已经研制出直径100毫米(4英寸)的石墨烯圆片,其上集成有2.2万个石墨烯晶体管,从而为石墨烯的工程应用做了很好的铺垫。而该中心的研究人员正在研制直径200毫米的石墨烯圆片。
　　2月6日,IBM宣布研制出100GHz石墨烯晶体管。该项研究是由美国国防部高级技术研究计划署(DARPA)资助的。IBM称,石墨烯晶体管所采用的工艺与目前的硅半导体设备工艺兼容。
　　上述两项研究成果特别是IBM的研究成果,使得石墨烯在成为硅的继承者的道路上,迈出了实质性的一步。这也使得那些认为“集成电路发明后用了42年的时间才获得诺贝尔奖,而石墨烯却只用了6年时间,其中不乏仓促和草率”的质疑者们有所收敛。毕竟摩尔定律留给我们的时间已经只有十来年了,产业界等不及下一个42年。
　　石墨烯同时还是透光性很好的材料。今年6月21日,麻省理工学院《技术评论》报道说,韩国三星已经研发出柔性可弯曲的石墨烯触摸显示屏。
　　关于石墨烯还可以有很多想象的空间,至少在石墨烯显示屏商品化上市后,就再也不需要贴膜来保护了。
　　
　　记者手记
　　创新离不开异想天开
　　很难想象,那么多德高望重的技术精英能够在搞笑诺贝尔奖上玩得像孩子一样开心。而用“不可思议”来形容那些获奖项目确实已经是相当恭维了,可能用“冒傻气”或者“吃饱了撑的”来评价更为贴切,比如说今年的获奖项目就是用遥控直升飞机收集鲸鱼的鼻涕和冬季把袜子穿在鞋外面有助于防滑等。
　　然而,在笔者看来,搞笑诺贝尔奖的真正意义在于非常严肃地对待打破常规的思维。而这种创新思维是科学技术研究不可或缺的。很可惜,强烈的好奇心、异想天开这些创新思维中的重要元素,更多地为天真浪漫的孩子们所拥有。
　　在诺贝尔物理学奖得主中,被誉为纳米之父的理查德•费曼应该是最能玩的,他给自己的回忆录起名为《你总在开玩笑,费曼先生》,而中文版的书名《别闹了,费曼先生:科学顽童的故事》似乎更为贴切。费曼既与爱因斯坦探讨相对论,又在赌场与赌徒研究输赢概率,而基于科学知识的恶作剧伴随他一生。1965年,他因量子电动力学方面的研究获得诺贝尔物理学奖,而此项研究源自他在康奈尔大学咖啡厅看到被学生抛起的盘子上图案的变化。
　　盖姆使用的神奇武器――透明胶带,也有一个打破常规的传奇故事。3M公司研究人员卓尔个人着迷于对胶带的研究,而他的老板却让他去改进砂纸技术。于是卓尔只得私下里悄悄研究。最终,透明胶带在1925年问世。由此延伸的透明胶带等各种胶带成为3M公司重要的利润来源。而透明胶带的发明以及之后研究人员帕姆戈斯特私下对反光涂料的研究,最终确立了3M给研究人员15%的自由研究时间的规定。
　　有人说,盖姆的中国博士生因为放弃了制备石墨烯而与诺贝尔奖失之交臂。这么说其实有失公允,因为这位博士生所采用的技术路线就是错误的。抛光机再高级,即便是有铁杵磨成针的精神,也不可能把石墨块磨成单原子厚度。
　　实际上,这位博士生输在了对待失败的态度上。面对花了3周的时间、用最好的设备做出的失败性的结果,他选择了放弃。而盖姆则看到,这一失败证明了传统方法是行不通的,于是才有了使用透明胶带这一异想天开的创意。